حدود تصدير القدرة في شبكات الجهد الكهربائي المنخفض

يؤدي التبني المتزايد لأنظمة الخلايا الكهروضوئية السكنية في جميع أنحاء العالم إلى تعرض مشغلي شبكات التوزيع (DNOs) لتحديات فنية، لا سيما في شبكات الجهد المنخفض (LV) كما من المرجح أن تؤدي الحاجة إلى التخفيف من هذه المشكلات من خلال تدابير بسيطة لكنها فعالة في البلدان ذات الاختراقات الكهروضوئية العالية.

وضع حدود لتصدير القدرة في شبكات الجهد الكهربائي المنخفض

شجعت الحاجة إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون جنباً إلى جنب مع آليات الحوافز الجذابة مثل تعريفات التغذية (FIT) أو مخططات القياس الصافي في السنوات القليلة الماضية على نمو قدرة توليد الطاقة الكهروضوئية العالمية، والتي من المتوقع الآن أن تتجاوز (500) غيغاواط بحلول عام (2020)م، ومع ذلك؛ فإن حصة كبيرة من هذه السعة تتوافق مع الأنظمة الكهروضوئية السكنية، والتي ترتبط بشبكات الجهد المنخفض (LV) غير المصممة تقليدياً لاستضافة كميات كبيرة من التوليد.

كما يعرض هذا لمشغلي شبكات التوزيع (DNOs) تحديات كبيرة للمشكلات الفنية، مثل الجهد الزائد والازدحام الناجم عن الصادرات المجمعة من المنازل ذات الأنظمة الكهروضوئية خلال فترات التوليد المرتفع وانخفاض الطلب، كما تم مؤخراً اقتراح حلول مختلفة للتخفيف من المشكلات على شبكات الجهد المنخفض السكنية ذات الأنظمة الكهروضوئية وتجربتها، بما في ذلك استخدام الأجهزة الجديدة.

على سبيل المثال هناك مغيرات الصمامات ذات الجهد المنخفض عند التحميل والترتيبات الطوبولوجية، ومع ذلك؛ فإن اعتمادها من قبل (DNOs) لا يعتمد فقط على فعاليتها من حيث التكلفة (على عكس التعزيزات التقليدية)، ولكن أيضاً على التطبيق العملي لها، حيث إن البديل البسيط والفعال الذي يمكن تنفيذه بواسطة (DNOs) وإن كان يؤثر على مالكي (PV) فهو فرض حد ثابت على مستوى الشبكة على الصادرات ذاتها التي تؤثر على شبكة الجهد المنخفض.

تقليص حدود تصدير الطاقة الكهروضوئية للمستخدمين

تقوم معظم الدراسات بتقييم الآثار المترتبة على حدود التصدير المختلفة لمالكي الطاقة الكهروضوئية (أي التقليص)، وذلك مع الأخذ في الاعتبار سعة مركبة واحدة (نموذجية) وعدد صغير من ملفات تعريف الطلب والتوليد المبسطة، وذلك دون تحديد التأثيرات على شبكة الجهد المنخفض، كما تبحث بعض الدراسات من بين حلول أخرى في الفوائد التي تجلبها حدود التصدير لشبكات الجهد المنخفض.

كما تم النظر في حدود مختلفة مع التركيز بشكل خاص على قضايا الجهد واعتماد شبكات الجهد المنخفض الحقيقية، وعلى الرغم من أنه تم تحديد التأثيرات على تقليص الطاقة الكهروضوئية؛ لم يتم اقتراح منهجية في حد ذاتها لتحديد أنسب حد للتصدير، لكن تم تقديم منهجية قائمة على التحسين لتحديد حد التصدير القادر على تخفيف مشاكل الجهد في وحدة تغذية منخفضة الجهد صغيرة حقيقية، ومع ذلك؛ فإن الصيغة المقابلة تتجاهل القيود الحرارية التي قد تكون مشكلة في ظروف أخرى.

آلية الحد من صادرات الطاقة الكهربائية تجاه العملاء

يتم وصف مفهوم حد التصدير هنا لعميل واحد يتم الإشارة إلى طلبه وتوليده في اللحظة (t) والمرحلة (ϕ) بواسطة (PDt ، ϕ ، PGt ، ϕ) على التوالي، كما تتكون العملية ضمن حدود التصدير من فرض حد ثابت للقدرة  (PLimitϕ) على صافي الجيل المقابل (PNt) محسوباً باستخدام المعادلات الرياضية التالية، والذي يمكن حقنه في شبكة الجهد المنخفض.

كما يؤدي إلى تقليص توليد الطاقة الكهروضوئية، ومن أجل التبسيط حيث سيتم تطبيق ذلك على تركيبات (PV) مختلفة؛ فإنه يتم التعبير عن حد الطاقة هذا عادةً كنسبة مئوية من السعة الكهروضوئية المقدرة في المرحلة (ϕ ، PRatedϕ) كما هو موضح بواسطة المعادلات، وبسبب هذا التناسب؛ فكلما زادت أحجام الطاقة الكهروضوئية عبر نفس الشبكة؛ انخفض حد التصدير (γ) للتأكد من أن حقن الطاقة الفردية لا تنتهك القيود التقنية.

يمكن تصور هذه الآلية في الشكل التالي (1)، وذلك مع الإشعاع المنخفض، حيث أن الشكل (1-a) والشكل (1-b)، كما يكون صافي الجيل الناتج أقل من حد التصدير (الخط المتقطع)، وبالتالي لا يوجد إجراء تقليص التي يحتاجها نظام الكهروضوئية، ومع ذلك ومع الإشعاع العالي؛ فإن الشكل (1-c) يجب من خلاله تقليل توليد الطاقة الكهروضوئية للامتثال لحد التصدير.

ولتحقيق ذلك؛ سيكون العاكس الكهروضوئي مطلوباً للتحقق باستمرار من الطلب الثابت (PDt ، ϕ) والطاقة الكهروضوئية التي تنتجها الألواح (قبل العاكس)، أيضاً (PPt) تستخدم لتنظيم توليد الطاقة الكهروضوئية (بعد العاكس)، كذلك تستخدم (PGt ، ϕ) وذلك فقاً للمعادلة التالية والنطاق الموضح في الشكل (1-d).

المنهجيات المستخدمة في عمليات تصدير الأنظمة الكهروضوئية

يقدم هذا القسم منهجيتين مختلفتين لمساعدة صانعي القرار (DNOs)، وذلك في تحديد أنسب حدود تصدير الطاقة الكهروضوئية اعتماداً على أهدافهم والنظر في كل من التأثيرات على مالكي الكهروضوئية والفوائد التقنية لشبكات الجهد الكهربائي المنخفض، أولاً تتم صياغة التقنية القائمة على (AC OPF) القادرة على تحديد حد التصدير الذي يحل المشكلات الفنية مع الحد الأدنى من التقليص.

كما أن ذلك مناسب إذا كان هدف صانع القرار هو تلبية القيود الفنية لشبكات الجهد المنخفض فقط، ثم يتم وصف إطار تقييم المفاضلة القائم على “مونت كارلو”، وهو مناسب لصانع القرار الراغب في العثور على مجموعة من الفوائد التقنية لشبكات الجهد المنخفض والتأثيرات المقابلة على مالكي الكهروضوئية الناتجة عن التقليص، وأخيراً يتم تقديم مقاييس الأداء المعتمدة.

• حد التصدير المستند إلى (OPF): تم تكييف صيغة (AC OPF) متعددة الفترات المقترحة، وذلك للعثور على مستوى اختراق (PV) معين، وذلك على أنسب حد للتصدير يقلل من الانقطاع مع الحفاظ على الفولتية وتدفقات الطاقة ضمن الحدود القانونية والحرارية على التوالي وعلاوة على ذلك يُقترح أيضاً توسيع الطريقة بحيث يتم تحديد حد التصدير مع الأخذ في الاعتبار السيناريوهات المتعددة لكل مستوى اختراق.

• تقييم المفاضلة القائم على مونت كارلو: من الناحية العملية، يجب تحديد قيمة حد التصدير مع مراعاة ليس فقط التخفيف من المشكلات الفنية ولكن أيضاً المستوى المقبول الذي يمكن أن يتأثر به مالكو الكهروضوئية (يتم تحديده بناءً على السياسات والاقتصاد المحلي وما إلى ذلك)، وبشكل أكثر تحديداً، وبالنسبة لمستويات الاختراق الكهروضوئية العالية؛ فإنه يمكن أن يكون الحد الأمثل للتصدير المطلوب لحل المشكلات الفنية.

بالنسبة الى مقارنة المنهجيتين السابقتين من حيث الطريقة المستندة إلى (OPF) مقابل النهج القائم على مونت كارلو؛ توفر كل طريقة نوعاً مختلفاً من النتائج، وبالنسبة لاختراق (PV) معين، كما تم تصميم (OPF) المستند إلى (OPF) لتوفير قيمة حد تصدير واحدة تلبي القيود الفنية، ومن ناحية أخرى تم تصميم التقييم القائم على مونت كارلو لاستكشاف المفاضلات بين تأثيرات الشبكة والتأثيرات على مالكي الكهروضوئية من خلال التحقيق في حدود التصدير المتعددة.

بالنهاية، وللتخفيف من المشكلات الفنية الناتجة عن الاختراقات الكهروضوئية العالية في شبكات الجهد المنخفض السكنية؛ فإنه يمكن إدخال حدود تصدير الطاقة الكهروضوئية، ومع ذلك؛ فإن تحديد أنسب حد يتطلب فهم المفاضلات بين الفوائد التقنية والآثار على مالكي الكهروضوئية، ولمساعدة صانعي القرار فقد اقترحت هذه الدراسة منهجيتين، وهما الصياغة القائمة على (OPF) تقلل من تقليص الطاقة وتقدير المفاضلة القائم على مونت كارلو.